4.1.1. Lý thuyết thực nghiệm
a. Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm
* Nguyên tắc ngẫu nhiên (Principle of Randomization)
Nguyên tắc ngẫu nhiên được áp dụng nhằm hạn chế ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu.Theo nguyên tắc này thứ thứ tự thay đổigiá trị các thông số thí nghiệm, cách bố trí thí nghiệm, thứ tự tiến hành từng thí nghiệm phải được tiến hành theo một thứ tự ngẫu nhiên.
*Nguyên tắc lặp lại (Principle of Replication)
Đó là mỗi thí nghiệm cần được thực hiện ít nhất nhiều hơn một lần
*Nguyên tắc tạo khối(Principle of Blocking)
Thường được sử dụng khi số lượng thí nghiệm nhiều. Khi đó ta cần chia thành nhiều khối thí nghiệm. Khối là tập hợp các thí nghiệm có chung một hay là một vài đặc tính nào đó. Trong mỗi khối các thí nghiệm được thiết kế được tuân thủ theo nguyên tắc lặp và nguyên tắc ngẫu nhiên. Nói cách khác, thứ tự các thí nghiệm trong khối được xáo trộn một cách ngẫu nhiên. Đồng thời, các thí nghiệm trong khối được lặp lại và xử lý thống kê như một kế hoạch riêng.
b.Các loại thí nghiệm.
Có ba loại thí nghiệm là:
*Thí nghiệm sàng lọc
Thí nghiệm sàng lọc(screening Experiment) là thí nghiệm được tiến hành với mục đích sau:
-Xác định đâu là yếu tố ảnh hưởng chính đến đối tượng hay quá trình khảo sát.
-Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố.
-Đánh giá mức độ ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố
Loại thí nghiệm này thường khai thác các dạng thiết kế thí nghiệm toàn phần 2 mức khi các yếu tố thí nghiệm không lớn hoặc thiết kế thí nghiệm riêng phần hay thiết kế thí nghiệm P-B.
*Thí nghiệm so sánh
Thí nghiệm so sánh(Comparative Expriment) thường được thực hiện để so sánh hay đánh giá sai khác giữa hai nhóm đối tượng mẫu hay 2 quá trình trả lời câu hỏi. Có hay không sự sai khác giữa các nhóm đối tượng hay quá trình? Câu hỏi này thường đặt ra khi kiểm kiểm chứng một sản phẩm hay một quá trình mới.
*Thí nghiệm tối ưu hoá
Thí nghiệm tối ưu hoá nhằm tìm kiếm tập xác lập các yếu tố đầu vào và đạt được giá trị tối ưu ở đầu ra. Thí nghiệm tối ưu thường sử dụng các dạng thiết kế thí nghiệm “bề mặt chỉ tiêu”. Trong trường hợp hàm mục tiêu không có hàm cực trị trong phạm vi khảo sát, thí nghiệm cho phép ta tạo các xác lập để đạt được giá trị xác định của hàm mục tiêu.
c. Lựa chọn thiết kế thí nghiệm
Từ mục đích nghiên cứu của đề tài và phân tích các loại thí nghiệm như trên tác giả đã lựa chọn thí nghiệm tối ưu hoá để tiến hành quy hoạch thực nghiệm.
4.1.2 Cơ sở lý thuyết
a. Thực nghiệm tối ưu hoá:
Một trong những mục đích chính của nghiên cứu thực nghiệm trong kỹ thuật là tìm giá trị cực trị hay tìm vùng tối ưu cho một quá trình hay các điều kiện tối ưu để vận hành một hệ thống. Lớp các bài toán nghiên cứu thực nghiệm về vấn đề tối ưu thường được biết đến với tên gọi “Phương pháp bề mặt chỉ tiêu”(Response Surface Methods-RSM).
Phương pháp bề mặt chỉ tiêu rất hữu ích trong việc phát triển, nâng cao hiệu quả và tối ưu hoá quá trình sản xuất. Nó cũng có các ứng dụng quan trọng trong việc thiết kế và phát triển các sản phẩm mới cũng như cải thiện các sản phẩm hiện có. Nội dung chính của RSM là sử dụng một chuỗi các thí nghiệm được thiết kế với các mục đích sau:
-Chỉ ra tập giá trị các biến đầu vào (điều kiện vận hành, thực thi) sao cho tạo ra các ứng xử của đối tượng nghiên cứu là “tốt nhất”;
-Tìm kiếm các giá trị biến đầu vào nhằm đạt được các yêu cầu cụ thể về ứng xử
của đối tượng nghiên cứu;
-Xác định các điều kiện vận hành mới đảm bảo cải thiện chất lượng hoạt động của đối tượng so với tình trạng cũ.
- Mô hình hoá quan hệ giữa các biến đầu vào với ứng xử của đối tượng nghiên cứu, dùng làm cơ sở để dự đoán hay điều khiển quá trình hay hệ thống. Để đạt được các mục tiêu trên, phương pháp RSM thực hiện việc xây dựng hàm mô tả các bề mặt chỉ tiêu (Response Surface) phụ thuộc các thông số đầu vào.
b. Tiến trình tối ưu hoá:
Tiến trình tối ưu hoá bằng RSM thường gồm 3 giai đoạn như sau:
-Giai đoạn 1: Thí nghiệm khởi đầu. Sau khi tiến hành các thí nghiệm sàng lọc (Screening Design) nhằm lựa chọn các biến thí nghiệm được tiếp tục khảo sát, ta phân tích mô hình rút gọn (đã loại bỏ các yếu tố không ảnh hưởng đáng kể), nhằm xây dựng mô hình hồi quy bậc nhất nhằm mô tả hàm mục tiêu. Việc đánh giá mức độ phù hợp của mô hình hồi quy bậc nhất cho phép ta kiểm tra được vùng khảo sát có ở vùng lân cận cực trị hay không. Nếu mô hình bậc nhất không phù hợp, có nghĩa là hàm mục tiêu đã ở lân cận cực trị, chuyển sang giai đoạn 3, trái lại, chuyển sang giai đoạn 2.
-Giai đoạn 2: Leo dốc tìm vùng cực trị. Nếu vùng thí nghiệm còn ở xa vùng cực trị, tiến hành các thí nghiệm nhằm tìm nhanh đến vùng chứa cực trị. Phương pháp thực hiện là leo dốc/xuống dốc (Steepest Ascent/Descent Method) tìm vùng cực trị. Nhiệm vụ cơ bản là xác định giá trị gia số cho từng biến thí nghiệm. Sau đó tiến hành thí nghiệm với các giá trị mới của biến cho tới khi hàm mục tiêu đổi chiều thay đổi giá trị.
Thí nghiệm xác định mức độ không phù hợp của mô hình bậc nhất được tiến hành để khẳng định khả năng đã ở vùng chứa cực trị. Các thí nghiệm để mô tả quan hệ vào-ra dưới dạng hàm bậc cao (Hồi quy bậc cao). Các thí nghiệm được thiết kế theo kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Design). Cuối cùng tiến hành phân tích đánh giá đưa ra các kết luận.
- Giai đoạn 3:Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu
Khi đã ở gần vùng lân cận cực trị, tiến hành các thí nghiệm để mô tả quan hệ vào – ra dưới dạng hàm bậc cao ( Hồi quy bậc cao ). Các thí nghiệm được thiết kế theo kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu. Cuối cùng tiến hành phân tích đánh giá kết quả để đưa ra các kết luận cuối.
c. Mức độ phù hợp của mô hình:
Trong quá trình đi tìm vùng chứa cực trị của hàm mục tiêu, ta cần kiểm tra xem mô hình hồi quy mô tả hàm mục tiêu bậc nhất hay bậc cao. Sau khi xây dựng hàm mục tiêu, ta tiến hành kiểm định giả thuyết thống kê để đánh giá xem mô hình đã khớp với dữ liệu đến mức nào. Việc đánh giá như vậy gọi là “kiểm định mức độ phù hợp của mô hình”(Lack of fit test).
d. Kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu
Khi đã ở vùng chứa cực trị, để mô tả chính xác mối quan hệ giữa hàm mục tiêu với các biến thí nghiệm, ta cần khảo sát nhiều mức giá trị cho các biến. Có hai cách xây dựng kế hoạch thí nghiệm là thiết kế thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design -CCD) và thiết kế Box-Behnken. Sau khi cân nhắc ưu nhược điểm của hai phương pháp trên tác giả đã lựa chọn xây dựng kế hoạch thực nghiệm bề mặt chỉ tiêu theo phương pháp hỗn hợp tâm xoay-CCD.
e. Sơ đồ xử lý kết quả thí nghiệm
Để đánh giá kết quả đo chính xác cần xác định các đặc trưng quan trọng nhất.
Đó là giá trị trung bình xtb, độ lệch quân phương , hệ số biến sai Cv, sai lệch tuyệt đối Stđ, độ không đều H , khoảng tin cậy Δxx, hệ số phân bố chuẩn hch .
xtb = (3-1) (3-2) Cv = x100[ ] (3-3 Δxx= hstx khi 2 20 (3-4)
Stđ = (3-5) H= x100[ ] (3-6)
Trong đó: xi là kết quả đo trong lần đo thứ (i ).
n là số lượng phép đo.
hst là hệ số phân bố student, phụ thuộc vào xác xuất đáng tin cậy, số lượng phép đo n và được xác định theo bảng (khi n >20 thì tra bảng hệ số phân bố chuẩn hch )
Như vậy kết quả đo xth nằm trong khoảng xtb-Δxx xth xtb +Δxx (3.7)
Quá trình tính toán các kết quả đo có thể được thực hiện bằng tay hoặc thực hiện trên máy
n x
4.1.3 Các giới hạn của thí nghiệm
Tham khảo những chuyên gia ở lĩnh vực tiện cứng bằng dao gắn mảnh CBN và các lưu ý của nhà sản xuất [ 44], [ 45] m ảnh dao ta xác định được các giới hạn của thí nghiệm như sau:
-Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao đến chất lượng và độ chính xác gia công của dao gắn mảnh CBN khi gia công thép X12M.
-Vận tốc cắt v=120-180 (m/ph)
-Lượng chạy dao s= 0.06-0,1(mm/vòng) -Chiều sâu cắt t=0.06 – 0.12 (mm)
-Độ cứng của phôi trong suốt quá trình gia công khoảng 57÷58 HRC.
4.1.4 Các thông số đầu vào của thí nghiệm
Gọi x1 , x2 , x3 , là các biến tương đương với các thông số vận tốc cắt-V, lượng chạy dao-S, chiều sâu cắt ( t ).
Trên cơ sở các điều kiện biên, kết quả các thí nghiệm sơ bộ trước đó. Dựa vào các nghiên cứu trước đây và catalog hướng dẫn sử dụng mảnh dao, các chế độ công nghệ thí nghiệm như sau:
-Vận tốc cắt: Vmax=180(m/ph) ; Vmin=120(m/ph)
-Lượng chạy dao: Smax =0.1(mm/vòng); Smin =0.06(mm/vòng) -Chiếu sâu cắt t: tmax = 0,12 (mm); tmin = 0.06 (mm)
Kí hiệu mức dưới(-1) = ximi (t)
Kí hiệu mức trên(+1) = xima (t)
Mức trung bình(0) = Kí hiệu giới hạn dưới (-α) Kí hiệu giới hạn trên (+α)
Sau khi tính được các giới hạn trên, dưới cho các thông số (v,s,t) ta lập giá trị thực và các cận trên, dưới như sau:
Bảng 4.1. Giá trị tính toán giá trị thông số chế độ cắt v,s,t cho thực nghiệm Thông số Giới hạn
dưới(-α)
Mức dưới (-1)
Mức TB (0)
Mức trên (+1)
Giới hạn
trên(+α) Các biến
V(m/ph) 113 120 150 180 186 x1
S(mm/vòng) 0.056 0.06 0.08 0.1 0.104 x2
t (mm ) 0,053 0,06 0,09 0,12 0,126 x3
4.1.5 Các hàm mục tiêu
Từ những định hướng nghiên cứu tối ưu khi tiện thép hợp kim đã qua tôi(X12M) bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm tiện CNC, nghiên cứu thực nghiệm được xác định các hàm mục tiêu sau:
- Độ nhám bề mặt: Ra = Ra(v,s,t)
- Chiều cao mòn mặt sau: hs = hs(v,s,t)
Để thực hiện khảo sát hàm mục tiêu cần xác định dạng hàm hồi quy cho các đại lượng trên.